En el primer momento del universo, todo era caliente, denso y en perfecto equilibrio. No había partículas como las entenderíamos, mucho menos estrellas o incluso el vacío que impregna el espacio hoy. Todo el espacio estaba lleno de cosas homogéneas, sin forma y comprimidas.

Entonces, algo resbaló. Toda esa estabilidad monótona se volvió inestable. La materia venció a su primo extraño, la antimateria, y llegó a dominar todo el espacio. Las nubes de esa materia se formaron y colapsaron en estrellas, que se organizaron en galaxias. Todo lo que sabemos acerca del universo comenzó a existir.

Entonces, ¿qué sucedió para sacar al universo de su estado sin forma?

Los científicos todavía no están seguros. Pero los investigadores han descubierto una nueva forma de modelar en un laboratorio el tipo de defecto que podría haber causado el gran desequilibrio del universo primitivo.

En un nuevo artículo, publicado este 16 de enero en la revista Nature Communications, los científicos demostraron que pueden usar helio sobreenfriado para modelar esos primeros momentos de existencia, específicamente, para recrear un posible conjunto de condiciones que podrían haber existido, después del Big Bang.

Simetrías en el universo

El universo está lleno de actos de equilibrio que los físicos llaman «simetrías».

Algunos ejemplos importantes: Las ecuaciones de la física funcionan de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Hay suficientes partículas con carga positiva en el universo para cancelar todas las partículas con carga negativa.

Pero a veces, las simetrías se rompen. Una esfera perfecta equilibrada en la punta de una aguja cae de un modo u otro. Dos lados idénticos de un imán se separan en los polos norte y sur . La materia vence a la antimateria en el universo primitivo. Partículas fundamentales específicas emergen de la falta de forma del universo primitivo e interactúan unas con otras a través de fuerzas discretas.

Jere Mäkinen, autora principal del estudio y estudiante de doctorado en la Aalto University de Finlandia, dijo en un comunicado:

Si tomamos la existencia del Big Bang como está dado, el universo sin duda ha sufrido algunas transiciones que rompen la simetría”.

¿Existe evidencia?

Las pruebas están a nuestro alrededor. Cada mesa, silla, galaxia y ornitorrinco es evidencia de que algo hizo que el universo primitivo saliera de su estado inicial, plano y de su complejidad actual. Estamos aquí en lugar de ser potencialidades en un vacío uniforme. Entonces, algo rompió esa simetría.

Los físicos llaman a algunas de las fluctuaciones aleatorias que rompen la simetría «defectos topológicos».

En esencia, los defectos topológicos son puntos en los que algo va mal en un campo de otro modo uniforme. De repente surge una interrupción. Esto puede suceder debido a la interferencia externa, como en un experimento de laboratorio. O puede suceder de manera aleatoria y misteriosa, como sospechan los científicos en el universo primitivo. Una vez que se forma un defecto topológicos, puede sentarse en medio de un campo uniforme, como una roca que crea ondulaciones en una corriente suave.

Algunos investigadores creen que ciertos tipos de defectos topológicos en las cosas sin forma del universo primitivo pueden haber jugado un papel en esas primeras transiciones que rompen la simetría.

Crédito: Lukasz Geratowski/Aalto University

El experimento

Mäkinen y sus coautores diseñaron un experimento con helio líquido enfriado a fracciones de un grado por encima del cero absoluto y comprimidos en cámaras diminutas. En la oscuridad de esas pequeñas cajas, los vórtices semánticos aparecieron en el helio superenfriado .

Luego, los investigadores cambiaron las condiciones del helio, haciendo que pasara por una serie de transiciones de fase entre dos tipos diferentes de superfluidos o fluidos sin viscosidad. Estas son transiciones de fase similares a la del agua que pasa de un sólido a un líquido o un gas, pero en condiciones mucho más extremas.

Las transiciones de fase causan que la simetría se rompa. Por ejemplo, el agua líquida está llena de moléculas que pueden orientarse en muchas direcciones diferentes. Pero congela esa agua, y las moléculas se bloquean en su lugar en posiciones particulares. Roturas similares en la simetría ocurren con las transiciones de la fase superfluida en los experimentos.

Aún así, después de que el helio superfluido atravesó sus transiciones de fase, los vórtices permanecieron, protegidos por muros limitados por cuerdas. Juntos, los vórtices y las paredes formaron defectos topológicos compuestos y sobrevivieron a las transiciones de fase de ruptura de simetría. De esa manera, los investigadores escribieron en el documento, estos objetos reflejaban defectos que algunas teorías sugieren que se formaron en el universo primitivo.

¿Significa esto que Mäkinen y sus co-autores han descubierto cómo se rompió la simetría en el universo primitivo? Absolutamente no. Su modelo solo mostró que ciertos aspectos de las «grandes teorías unificadas» de cómo el universo primitivo tomó su forma se pueden replicar en un laboratorio, específicamente, las partes de esas teorías que involucran defectos topológicos. Ninguna de esas teorías es aceptada ampliamente por los físicos, y todo esto podría ser un gran callejón sin salida teórico.

Pero el trabajo de Mäkinen abre la puerta a más experimentos para investigar cómo este tipo de defectos podrían haber funcionado para dar forma a los momentos posteriores al Big Bang. Y estos estudios definitivamente enseñan a los científicos algo nuevo sobre el reino cuántico, dijo. La pregunta abierta sigue siendo: ¿Los físicos alguna vez vincularán de manera concluyente estos detalles sobre el pequeño mundo cuántico con el comportamiento del universo entero?

El estudio científico ha sido publicado en la revista Nature Communications.